基于双曲线模型的锚杆受力分析方法及其工程应用研究

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中国是世界上遭受地质灾害最频繁的国家之一。岩土锚固技术作为岩土工程领域中一个重要分支,其应用锚索或锚杆对岩土体进行加固,通过充分地调用和提高岩土体的自稳能力与自身强度,大大减轻结构物自重,并缩小结构物体积,是一种对原岩扰动小、显著节约工程材料且有利于安全可靠的加固技术,目前在隧道基坑、边坡支护、地下结构、抗浮结构等领域得到了大量应用。由于锚固方式的多样性与加固岩土体的复杂性,尽管长期以来国内外诸多学者对其荷载传递机理进行了深入地研究,但目前关于锚固技术研究和应用仍存在许多不足,对于锚杆荷载传递机理研究并未形成一个统一的认识。本文采用理论分析、数值模拟以及工程实例相结合的方法,对锚杆的荷载传递机理展开了较深入的研究。首先,对国内外关于锚杆荷载传递机理的研究历史及现状进行了总结,进而提出该研究方向仍然存在的问题。阐述了锚杆的技术特点及分类,对锚杆抗拔承载机理及锚杆的破坏模式进行分析,研究在荷载传递过程中,锚杆杆体与注浆体以及注浆体与岩土体的相互作用机理及力学行为。并通过总结常用的荷载传递模型及各自适用性,对其进行抗拔承载力分析。其次,本文假定剪应力与剪切位移呈双曲线非线性关系,推导了锚杆锚固段荷载传递非线性微分方程,并采用有限差分法进行求解。根据解答分析其应力分布特征,结果表明:锚杆轴力与剪应力沿锚固长度均呈非线性分布,轴力分布表现为一条凹递减曲线,而剪应力则集中分布于张拉端,并逐步传递至锚杆远端,最后通过实测数据验证荷载传递解答的准确性。第三,通过数值模拟方法对锚杆抗拔承载机理进行参数分析,重点研究了锚固界面综合剪切刚度系数、锚固体直径以及锚固界面极限抗剪强度对于轴力分布、剪应力分布以及抗拔承载力的影响,以及在不同的岩土体中的取值问题。可作为锚杆设计以及土体参数选取的理论依据。最后,依托长韶娄高速公路路堑边坡锚固支护的工程实例,介绍在实际工程中基于场地岩土工程条件提出的边坡防护措施,以及锚杆的设计流程、施工顺序以及拉拔检测试验。并通过现场拉拔试验的检测数据,对本文的锚杆荷载传递计算方法进行了验证。
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